Einführung in die Biophysik!

Transkript

1 Einführung in die Biophysik! Schwerpunktstudium " Biophysik! LMU! Prof. Dr. Joachim Rädler! Dr. Gerald Mathias!!! 9. Mai 2011! Die Zelle, Evolution, chemische Grundlagen!!!! Vorlesungsfolien / Übungsblätter / Literatur ->!!! -> teaching!

2 There are four classes of macromolecules! Proteins! Sugars! Nucleic! Acids! Lipids!

3 Macromolecules exhibit a " hierachy of structures!

4 Biophysical models! the same object (DNA) depending on the problem/context! use approximations / idealization!

5 Concepts! multiple! manifestations! of the simple! harmonic oscillator! in biophysics!

6 Leben verlangt Energieumwandlung, Zellen sind deren Basis! Leben hat mehrere Teilfunktionen, die nicht immer alle vorhanden sein müssen:!!fortpflanzung!!stoffwechsel!!reizempfinden!!bewegung!!regulation!!vererbung!!evolution!!! Essentielle Eigenschaften des Lebens:! die Fortpflanzung! der Stoffwechsel! die Mutationen.! Grünalge! Craig Venter is on the verge of creating synthetic life! craig_venter_is_on_the_verge_of_creating_synthetic_life.html!

7 Schrödinger betrachtete 1943 in einer Vorlesung Was ist Leben? über Physik und Biologie die Konsequenzen der molekularen Natur des genetischen Codes. "Die große, wichtige und heiß umstrittene Frage lautet: Wie lassen sich die Vorgänge in Raum und Zeit, welche innerhalb der räumlichen Begrenzung eines lebenden Organismus vor sich gehen, durch die Physik und die Chemie erklären? Wenn die heutige Physik und Chemie diese Vorgänge offenbar nicht zu erklären vermögen, so ist das durchaus kein Grund, die Möglichkeit ihrer Erklärung durch die Wissenschaften zu bezweifeln."

8 Was sind zentrale Themen der Biophysik?! Selbstorganisation, Strukturbildung, Morphogenese, Evolution! Physik der Photosynthese! Metabolismus! Komplexe nichtlineare Netzwerke! Grundlagen zur Biotechnologie! Biophysikalische Messtechniken! Struktur, Dynamik & Funktion der Biomoleküle!

9 Dictyostelium - ein Modelorgansimus! Eine Vielzahl von molekularbiologischen Grundlagen können an Eukaryonten Dict. D. untersucht werden Morphogenese Übergang vom Einzeller zum Vielzeller Signaltransduktion durch Botenstoffe - Chemotaxis Zellaggregation - Musterbildung Zellerkennung Zelladhäsionsproteine Zellmotilität - Cytosklettstruktur Zelldifferenzierung Genexpression & Genregulierung Technische Vorteile Einfache Handhabung und Wachstum, Klone an einem Tag Leichte Herstellung von Mutanten und Charakterisierung von Phänotypen Gentechnisch modifizierbar - GFP fusion proteins Größe gute Zugänglichkeit mit Videomikroskopie

10 Makrophage jagt E.coli! Eine ganz andere Physik! Gradient: 1% / Zell-Länge! Die eukaryontische Zelle detektiert einen Konzentrationsgradient über der Länge des Zellkörpers. Die Zelle polarisiert und verformt sich.!

11 Chemotaxis of single cells towards a point source of the chemoattractant camp. The numbers on the upper left corner are minutes and seconds.! From G. Gerisch, Max-Planck-Institut fur Biochemie, Martinsried, Germany.!

12 Modell of pathways regulating chemotaxis

13 Nützliche Analogie zw. Signaltransduktion und elektronischen Schaltkeisen!

14 Actinin Filamin Fimbrin

15 Der menschliche Muskel!

16 Molekulare Motoren Kinesin prozessiv duty ratio 0.5 Myosin nicht-prozessiv duty ratio 0.01

17 Tinnefeld / Gaub / SS10! BPE 0! 17!

18 Durch camp-wellen synchronisierte Wanderung der Didis! ca 5cm! ca 10 mm! Gaub/SS09! BPE 1! 18!

19 Der Zell-Zyklus! Tinnefeld / Gaub / SS10! BPE 2.1.2! 19! A 741; Li 27-30; 158/159!

20 Dictyostelium discoideum Genome Project! International Consortium Univ. of Cologne, Inst.e of Mol. Biotech. in Jena, Baylor College of Medicine in Houston, USA, Pasteur Institute in Paris, Sanger Centre in Hinxton, England. Das Genome 6 chromosomes (jeweils 4 to 7 Mb), 34 Mb insgesamt (80% AT Anteil) Anzahl Gene ca. 10,000-11,000 45% Übereinstimmung der Gensequenz mit bekannten Genen höherer Organismen Prozesse Funktionen

21 Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution Theodosius Dobzhansky, 1964

22 Hauptepisoden der Geschichte des Lebens! Fossilien sind wichtige Dokumente der Evolution Archaeopteryx 150 Millionen Jahre Früher Prokaryot 3,5 Milllarden Jahre alt

23 Prokaryonten! Eukaryonten!

24 RNA-Welt Hypothese! Nucleotide pairing between different regions of the same " polynucleotide (RNA) chain causes the molecule to adopt a distinctive shape.!

25 Kompartimentierung (Isolierung) unterstützt selbst-replizierende Systeme! Spontane Entstehung von geschlossenen Membranen (Vesikeln)

26 Die Zelle als kleinste lebensfähige Einheit!

27 Bakterien, die einfachsten Zellen! E-Coli das Arbeitspferd der Biotechnologie!

28 2 Milliarden Jahre lebten auf der Erde nur Prokaryoten:" Auch heute noch gilt : Wir könnten nicht ohne sie leben" (Aber sie ohne uns)!

29 Stammbaum der drei Reiche! Phylogenetischer Stammbaum nach Ähnlichkeit identischer DNA Abschnitte (z.b. 16SrRNA oder Proteinen z.b. Phosphatasen)! Woese et al. 1990!

30 Die ersten Umweltkatastrophen! Tinnefeld / Gaub / SS10! BPE 2.1.1! 30!

31 Endosymbiosehypothese zur Entstehung der Eukaryoten!

32 Leben erfordert etwa 25 chemische Elemente! Vier Elemente machen 96% der lebenden Materie aus!